JP2006006067A - Brushless dc motor driving apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブラシレスDCモータをインバータ回路で制御する駆動装置に関するものである。 The present invention relates to a drive device that controls a brushless DC motor by an inverter circuit.
ブラシレスDCモータ(以下、単にモータという)の駆動方法は、回転子の位置を検出するホールICからの位置信号や、固定子巻線の誘起電圧を用いて回転子の回転位置を検出し、この検出した回転位置と外部からの速度指令信号に基づいてPWM制御を行い、固定子巻線に駆動電流をインバータ回路の各スイッチング素子から供給して回転を制御している(例えば、特許文献1参照)。
モータの高効率化を行おうとして場合には、駆動回路側の誘起電圧の利用率を高める方法がある。この方法を行うときに誘起電圧の利用率の観点から、回転子のロータマグネットの着磁が正弦波の場合には、駆動方式は正弦波通電方式が好ましい。しかしながら、PWM制御方法で正弦波駆動を行おうとした場合には、フルブリッジのインバータ回路の上下のスイッチング素子を常にON/OFFしてPWM制御を行うため、スイッチング損失が高くなり、前記した高効率化に対して相反する結果となる。 In order to increase the efficiency of the motor, there is a method of increasing the utilization rate of the induced voltage on the drive circuit side. When performing this method, from the viewpoint of the utilization factor of the induced voltage, when the magnetization of the rotor magnet of the rotor is a sine wave, the drive method is preferably a sine wave energization method. However, when sine wave drive is attempted by the PWM control method, the upper and lower switching elements of the full-bridge inverter circuit are always turned ON / OFF to perform PWM control, resulting in higher switching loss and higher efficiency as described above. This is a contradictory result.
また、120度通電では誘起電圧の利用率が低いため、これもモータの高効率化において問題点となる。 Moreover, since the utilization rate of the induced voltage is low at 120 degrees energization, this also becomes a problem in increasing the efficiency of the motor.
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、スイッチング損失を正弦波よりも低く、かつ、誘起電圧の利用率を高めることができるブラシレスDCモータの駆動装置を提供する。 Therefore, in view of the above problems, the present invention provides a brushless DC motor driving apparatus that can lower the switching loss than a sine wave and increase the utilization of the induced voltage.
請求項1に係る発明は、前記三相のブラシレスDCモータの三相の固定子巻線へ駆動電流をそれぞれ供給するインバーター回路と、前記ブラシレスDCモータの回転子の回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段からの回転パルスの周期と、外部からの速度指令信号に基づいて前記インバーター回路へ制御信号を出力する制御手段と、を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、前記制御手段は、前記回転パルスの周期、タイミングに基づいて矩形波である通電波形を生成する通電回路と、前記回転パルスの周期、タイミングに基づいて立ち上がりの傾斜波と立ち下がりの傾斜波とを生成する台形波生成手段と、前記立ち上がりの傾斜波と前記通電波と前記立ち下がりの傾斜波を合成し、前記速度指令信号によって振幅を決定して台形波を生成する台形波変調波生成手段と、所定の周期で三角波を発振する三角波発振回路と、前記台形波と前記三角波とからPWM変調波を生成するPWM変調回路と、前記PWM変調波に基づいて前記制御信号を生成する駆動回路と、を有することを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置である。 According to a first aspect of the present invention, there is provided an inverter circuit for supplying a driving current to the three-phase stator winding of the three-phase brushless DC motor, and a rotation speed detection for detecting the rotation speed of the rotor of the brushless DC motor. In the brushless DC motor driving apparatus, the control device includes: a control means for outputting a control signal to the inverter circuit based on a speed command signal from the outside and a period of a rotation pulse from the rotation speed detection means; The means generates an energization circuit that is a rectangular wave based on the period and timing of the rotation pulse, and generates a rising ramp wave and a falling ramp wave based on the period and timing of the rotation pulse. The trapezoidal wave generating means, the rising ramp wave, the energization wave, and the falling ramp wave are synthesized and are generated by the speed command signal. A trapezoidal modulated wave generating means for generating a trapezoidal wave by determining a triangular wave oscillation circuit that oscillates a triangular wave at a predetermined period, a PWM modulation circuit that generates a PWM modulated wave from the trapezoidal wave and the triangular wave, A brushless DC motor drive device comprising: a drive circuit that generates the control signal based on a PWM modulated wave.
請求項2に係る発明は、前記ブラシレスDCモータの回転子の誘起電圧が台形波になるように、前記回転子のロータマグネットが着磁されていることを特徴とする請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。 The invention according to claim 2 is characterized in that the rotor magnet of the rotor is magnetized so that the induced voltage of the rotor of the brushless DC motor becomes a trapezoidal wave. It is a drive device of a DC motor.
請求項3に係る発明は、前記通電回路は、120度通電、150度通電、または、180度通電を行うことを特徴とする請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。
The invention according to
請求項4に係る発明は、前記立ち上がりの傾斜波と前記立ち下がりの傾斜波の幅が、電気角10度から60度の間の幅をそれぞれ有することを特徴とする請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。
The invention according to claim 4 is the brushless according to
請求項5に係る発明は、前記回転数検出回路は、前記ブラシレスDCモータの回転子の近傍に位置検出素子を有し、前記位置検出素子からの位置信号に基づいて前記回転数を検出することを特徴とする請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。
According to a fifth aspect of the present invention, the rotation speed detection circuit has a position detection element in the vicinity of a rotor of the brushless DC motor, and detects the rotation speed based on a position signal from the position detection element. The brushless DC motor drive device according to
請求項6に係る発明は、前記回転数検出回路は、前記各固定子巻線の誘起電圧を検出し、この検出した各相の誘起電圧に基づいて前記回転数を検出することを特徴とする請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。
The invention according to claim 6 is characterized in that the rotational speed detection circuit detects an induced voltage of each stator winding and detects the rotational speed based on the detected induced voltage of each phase. A brushless DC motor driving apparatus according to
請求項1に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、回転数検出手段によって検出した回転パルスの周期、タイミングに基づいて、台形波を生成し、回転子のロータマグネットの誘起電圧に最適な通電幅を選択することにより、モータ効率の高い駆動装置を実現することができる。 In the brushless DC motor drive device according to the first aspect of the present invention, a trapezoidal wave is generated based on the period and timing of the rotation pulse detected by the rotation speed detection means, and is optimal for the induced voltage of the rotor magnet of the rotor. By selecting the energization width, a drive device with high motor efficiency can be realized.
特に、回転子の誘起電圧が台形波のときは、この台形波に合わせて通電を行うこととなり、誘起電圧の利用率を高め、かつ、スイッチング損失を正弦波より低く、モータの効率化を高めることができる。 In particular, when the induced voltage of the rotor is a trapezoidal wave, energization is performed in accordance with the trapezoidal wave, increasing the utilization of the induced voltage and lowering the switching loss than the sine wave, thereby increasing the efficiency of the motor. be able to.
以下、本発明の一実施形態のモータ10の駆動装置12について、図1〜図3に基づいて説明する。
Hereinafter, a
(1)モータ10の構成
本実施形態のモータ10は、三相のブラシレスDCモータであり、例えば、空調機のファンモータとして使用される。また、モータ10の回転子は、S極、N極、S極、N極が交互に着磁された4極である。そして、この回転子が回転することにより三相の固定子巻線に発生する誘起電圧が台形波になるように、前記4極のロータマグネットが着磁されている。
(1) Configuration of
(2)駆動装置12の構成
駆動装置12は、インバータ回路14、上アーム駆動回路16、下アーム駆動回路18、位置推定回路20、120度通電マトリクス回路(以下、通電回路という)22、台形波変調波形生成回路(以下、変調波形生成回路という)24、カウンタ回路26、台形波生成回路28、三角波発振回路30、コンパレータ32、三相分配回路34から構成されている。
(2) Configuration of
インバータ回路14は、スイッチング素子(例えば、MOS−FET)とダイオードを並列に接続したものを上下に直列に接続し、これらを3組並列に接続したフルブリッジ回路の構成である。このインバータ回路14には、直流のモータ電源36からモータ電流が供給される。このインバータ回路14の6個のスイッチング素子の内、上段のスイッチング素子のゲート端子に、上アーム駆動回路16から制御信号が出力され、各スイッチング素子がON/OFFされる。また、下段の3個のスイッチング素子のゲート端子には、下アーム駆動回路18からの制御信号が出力され、ON/OFFされる。
The
モータ10の回転子のロータマグネットの位置を検出するために、3個の位置検出素子(例えば、ホール素子)38,38,38が設けられ、3個の位置検出素子38,38,38からのパルス状の位置信号は位置推定回路20に出力される。
In order to detect the position of the rotor magnet of the rotor of the
三個のホールICからの位置信号に基づいて、位置推定回路は、三相の回転パルスを通電回路22とカウンタ回路26に出力する。
Based on the position signals from the three Hall ICs, the position estimation circuit outputs a three-phase rotation pulse to the
通電回路22は、モータ10を120度通電行うために、電気角で120度の間だけ誘起電圧が掛かるように、入力した回転パルスに基づいて矩形波の通電波を変調波形生成回路24に出力する。
The
カウンタ回路26では、回転パルスに基づいて、各相の位置をカウンタし、台形波生成回路28に出力する。
The
台形波生成回路28では、立ち上がりの傾斜波と立ち下がりの傾斜波を出力する。この詳細については後から詳しく説明する。
The trapezoidal
変調波形生成回路24では、外部から入力した速度指令電圧に基づいて振幅が決定され、通電回路22から入力した通電波と台形波生成回路28から入力した立ち上がりと立ち下がりの傾斜波に基づいて三相の台形波をそれぞれ生成する。
In the modulation
三角波発振回路30から所定の周期で三角波がコンパレータ32のマイナス端子に入力し、コンパレータのプラス端子には変調波形生成回路28から各相の台形波がそれぞれ入力し、このコンパレータ32で比較されPWM変調波が生成され三相分配回路34に出力される。
A triangular wave is input from the triangular
三相分配回路34では、三相のPWM変調波に基づいて、上段用のスイッチング素子用のPWM変調信号を上アーム駆動回路16に出力し、下段のスイッチング素子用のPWM変調信号を下アーム駆動回路18に出力する。
The three-
上アーム駆動回路16では、入力したPWM変調信号に基づいて、上段のスイッチング素子をON/OFFする制御信号を出力する。
The upper
下アーム駆動回路18も同様に入力したPWM変調信号に基づいて下段のスイッチング素子に制御信号を出力する。
Similarly, the lower
(3)台形波の生成方法
次に、台形波の生成方法について、図2及び図3に基づいて説明する。
(3) Trapezoidal Wave Generation Method Next, a trapezoidal wave generation method will be described with reference to FIGS.
図2は、一相(例えば、U相)の台形波の波形を示している。 FIG. 2 shows a waveform of a trapezoidal wave of one phase (for example, U phase).
図2において、縦軸が速度指令電圧の電圧値を示し、横軸が電気角を示している。 In FIG. 2, the vertical axis indicates the voltage value of the speed command voltage, and the horizontal axis indicates the electrical angle.
図2において、αの部分の立ち上がり傾斜波と立ち下がり傾斜波は台形波生成回路28で生成する。この場合に、位置推定回路20から出力された回転パルスの周期とタイミングをカウンタ回路26でカウントし、図2において電気角で0度〜40度の間で電圧が上昇するように傾斜波を生成し、160度〜200度の間で電圧が下降するように傾斜波を生成する。
In FIG. 2, the rising slope wave and the falling slope wave of the portion α are generated by the trapezoidal
図2において、台形波のβの部分は、通電回路22で生成するものであり、位置推定回路20から出力された回転パルスの周期とタイミングに基づいて、電気角で40度の位置で立ち上がり、160度の位置で立ち下がるような矩形の通電波を生成する。すなわち、120度通電の波形を生成する。
In FIG. 2, the β portion of the trapezoidal wave is generated by the
変調波形生成回路24では、台形波生成回路28から入力した立ち上がりの傾斜波と立ち下がりの傾斜波及び通電回路22から入力した通電波を合成し、図2に示す台形波を生成する。この場合に、台形波の振幅は、外部から入力した速度指令電圧に基づいて決定する。すなわち、速度指令電圧が高ければ、台形波の振幅も高くなる。
The modulation
なお、台形波生成回路28で生成される立ち下がりと立ち上がりの電気角の幅は、10度〜60度の幅で決定すればよい。この傾斜角は、モータ10の回転子の特性等によって実験的に求めるのがよい。
It should be noted that the falling and rising electrical angle widths generated by the trapezoidal
以上により、回転パルスに基づいて台形波が生成されることとなる。 As described above, a trapezoidal wave is generated based on the rotation pulse.
(4)本実施形態と従来技術との比較
次に、図3に基づいて、本実施形態と従来例との比較を行ないつつ、本実施形態の効果を説明する。
(4) Comparison between this embodiment and prior art Next, based on FIG. 3, the effect of this embodiment is demonstrated, comparing this embodiment with a prior art example.
図3の上段は三相の回転パルスを示し、中段は従来例における120度通電の三相の通電波を示し、下段は本実施形態の三相の台形波を示している。 The upper part of FIG. 3 shows a three-phase rotation pulse, the middle part shows a three-phase energization wave of 120-degree energization in the conventional example, and the lower part shows a three-phase trapezoidal wave of this embodiment.
三相の回転パルスは、例えば、U相の回転パルスHUは、0度でローレベルとなり、180度でハイレベルとなる、すなわち、180度毎に切り替わる。 The three-phase rotation pulse is, for example, a U-phase rotation pulse HU that is at a low level at 0 degrees and a high level at 180 degrees, that is, switches every 180 degrees.
従来例においては、三相の回転パルスに基づいて、上段のスイッチング素子の通電波U,V,Wが生成され、下段のスイッチング素子の通電波のX,Y,Zが生成される。 In the conventional example, energized waves U, V, and W of the upper switching element are generated based on the three-phase rotation pulse, and X, Y, and Z of the energized waves of the lower switching element are generated.
本実施形態においては、上段のスイッチング素子の台形波U,V,Wが生成され、下段のスイッチング素子の台形波X,Y,Zが生成される。 In the present embodiment, trapezoidal waves U, V, and W of the upper switching element are generated, and trapezoidal waves X, Y, and Z of the lower switching element are generated.
この従来例の矩形状の通電波と、本実施形態の台形波を比較した場合に、立ち上がりと立ち下がりの傾斜部分だけ誘起電圧が有効利用され、その利用率を高めることができる。また、矩形波のように立ち下がりと立ち上がりが急俊でないため、トルクリップルが発生しない。さらに、モータ10の回転子の誘起電圧が台形波であるため、この台形波に合わせて通電が行われているため、誘起電圧の利用率を高め、かつ、スイッチング損失を正弦波より低く、モータの効率化を高めることができる。
When the rectangular energized wave of the conventional example is compared with the trapezoidal wave of the present embodiment, the induced voltage is effectively used only at the rising and falling slope portions, and the utilization factor can be increased. Further, since the falling and rising are not steep as in the case of a rectangular wave, torque ripple does not occur. Further, since the induced voltage of the rotor of the
(変更例)
本発明は、上記実施形態に限らずその主旨を逸脱しない限り種々に変更することができる。
(Example of change)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist thereof.
(1)変更例1
上記実施例では、120度通電を行ったが、これに代えて、150度通電、180度通電でも実施することができる。
(1)
In the above-described embodiment, 120-degree energization is performed, but 150-degree energization and 180-degree energization can be performed instead.
ただし、150度通電を行う場合には、立ち上がりの傾斜波と通電波と立ち下がりの傾斜波を合計した電気角が180度以内になるようにする。 However, when 150-degree energization is performed, the electrical angle obtained by adding up the rising slope wave, the energization wave, and the falling slope wave is set to be within 180 degrees.
また、180度通電では、通電幅が180度であるため、この180度通電幅の立ち上がり部分と立ち下がり部分に傾斜波を設け、全体として180度通電になるようにする。 Further, in the 180-degree energization, the energization width is 180 degrees. Therefore, ramp waves are provided at the rising and falling portions of the 180-degree energization width so that the energization is 180 degrees as a whole.
(2)変更例2
上記実施形態では、回転子の位置を位置検出素子によって検出したが、これに変えて、各固定子巻線の誘起電圧を検出し、この検出した各相の誘起電圧に基づいて回転数を検出するセンサーレス回路であってもよい。
(2) Modification example 2
In the above embodiment, the position of the rotor is detected by the position detection element. Instead, the induced voltage of each stator winding is detected, and the number of rotations is detected based on the detected induced voltage of each phase. It may be a sensorless circuit.
(3)変更例3
上記実施形態では、三相の固定子巻線に対する誘起電圧が台形波になるように回転子のロータマグネットが着磁されていたが、これに限らず正弦波であっても従来よりもモータ効率を上昇させることができる。
(3)
In the above embodiment, the rotor magnet of the rotor is magnetized so that the induced voltage with respect to the three-phase stator winding becomes a trapezoidal wave. Can be raised.
本発明のブラシレスDCモータの駆動装置は、家電機器、例えば空調機の駆動源等に好適である。 The brushless DC motor drive device of the present invention is suitable for household appliances, for example, a drive source of an air conditioner.
10 モータ
12 駆動装置
14 インバータ回路
16 上アーム駆動回路
18 下アーム駆動回路
20 位置推定回路
22 通電回路
24 変調波形生成回路
26 カウンタ回路
28 台形波生成回路
30 三角波発振回路
32 コンパレータ
34 三相分配回路
36 モータ電源
38 ホールIC
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記ブラシレスDCモータの回転子の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記回転数検出手段からの回転パルスの周期と、外部からの速度指令信号に基づいて前記インバーター回路へ制御信号を出力する制御手段と、
を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、
前記制御手段は、
前記回転パルスの周期、タイミングに基づいて矩形波である通電波形を生成する通電回路と、
前記回転パルスの周期、タイミングに基づいて立ち上がりの傾斜波と立ち下がりの傾斜波とを生成する台形波生成手段と、
前記立ち上がりの傾斜波と前記通電波と前記立ち下がりの傾斜波を合成し、前記速度指令信号によって振幅を決定して台形波を生成する台形波変調波生成手段と、
所定の周期で三角波を発振する三角波発振回路と、
前記台形波と前記三角波とからPWM変調波を生成するPWM変調回路と、
前記PWM変調波に基づいて前記制御信号を生成する駆動回路と、
を有する
ことを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置。 An inverter circuit for supplying drive current to the three-phase stator winding of the three-phase brushless DC motor;
A rotational speed detection means for detecting the rotational speed of the rotor of the brushless DC motor;
Control means for outputting a control signal to the inverter circuit based on a rotation pulse period from the rotation speed detection means and a speed command signal from the outside,
In the drive device of the brushless DC motor having
The control means includes
An energization circuit that generates an energization waveform that is a rectangular wave based on the period and timing of the rotation pulse;
A trapezoidal wave generating means for generating a rising ramp wave and a falling ramp wave based on the period and timing of the rotation pulse;
A trapezoidal modulated wave generating means for generating a trapezoidal wave by combining the rising ramp wave, the energization wave, and the falling ramp wave, determining an amplitude according to the speed command signal;
A triangular wave oscillation circuit that oscillates a triangular wave at a predetermined period;
A PWM modulation circuit that generates a PWM modulated wave from the trapezoidal wave and the triangular wave;
A drive circuit for generating the control signal based on the PWM modulated wave;
A drive device for a brushless DC motor, comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動装置。 The drive device for a brushless DC motor according to claim 1, wherein the rotor magnet of the rotor is magnetized so that the induced voltage of the rotor of the brushless DC motor becomes a trapezoidal wave.
120度通電、150度通電、または、180度通電を行う
ことを特徴とする請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動装置。 The energization circuit is
The brushless DC motor drive device according to claim 1, wherein 120-degree conduction, 150-degree conduction, or 180-degree conduction is performed.
ことを特徴とする請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動装置。 2. The driving device for a brushless DC motor according to claim 1, wherein widths of the rising slope wave and the falling slope wave each have a width between 10 degrees and 60 degrees in electrical angle.
前記ブラシレスDCモータの回転子の近傍に位置検出素子を有し、
前記位置検出素子からの位置信号に基づいて前記回転数を検出する
ことを特徴とする請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動装置。 The rotation speed detection circuit includes:
A position detection element in the vicinity of the rotor of the brushless DC motor;
The brushless DC motor drive device according to claim 1, wherein the rotational speed is detected based on a position signal from the position detection element.
前記各固定子巻線の誘起電圧を検出し、この検出した各相の誘起電圧に基づいて前記回転数を検出する
ことを特徴とする請求項1に記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
The rotation speed detection circuit includes:
The brushless DC motor drive device according to claim 1, wherein an induced voltage of each stator winding is detected, and the number of rotations is detected based on the detected induced voltage of each phase.
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